LED路燈防浪涌干擾設(shè)計中的絕緣耐壓問題

本文闡述了目前LED 路燈常用的防浪涌或防瞬變抑制電路的原理，指出了具有防浪涌干擾功能的LED 路燈普遍存在的絕緣耐壓問題。提出LED 路燈的EMS 設(shè)計應(yīng)建立在滿足安全要求的基礎(chǔ)上的理念。強(qiáng)調(diào)了LED 路燈設(shè)計輸入的充分性。

　　一、氣體放電管和壓敏電阻組合構(gòu)成的抑制電路原理

　　由于壓敏電阻（VDR）具有較大的寄生電容，用在交流電源系統(tǒng)，會產(chǎn)生可觀的泄漏電流，性能較差的壓敏電阻使用一段時間后，因泄漏電流變大可能會發(fā)熱自爆。為解決這一問題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。圖1 中，將壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)，由于氣體放電管寄生電容很小，可使串聯(lián)支路的總電容減至幾個pF。在這個支路中，氣體放電管將起一個開關(guān)作用，沒有暫態(tài)電壓時，它能將壓敏電阻與系統(tǒng)隔開，使壓敏電阻幾乎無泄漏電流。但這又帶來了缺點(diǎn)就是反應(yīng)時間為各器件的反應(yīng)時間之和。例如壓敏電阻的反應(yīng)時間為25ns，氣體放電管的反應(yīng)時間為100ns，則圖2 的R2、G、R3 的反應(yīng)時間為150ns，為改善反應(yīng)時間加入R1 壓敏電阻，這樣可使反應(yīng)時間為25ns。

　　金屬氧化物壓敏電阻（MOV）的電壓-電流特性見圖3，金屬氧化物壓敏電阻（MOV）特性參數(shù)見表1。氣體放電管（GDT）的電壓-電流特性見圖4，氣體放電管（GDT）特性參數(shù)見表2。

　　由于浪涌干擾所致，一旦加在氣體放電管兩端的電壓超過火花放電電壓（圖4 的u1）時，放電管內(nèi)部氣體被電離，放電管開始放電。放電管端的壓降迅速下降至輝光放電電壓（圖4 的u2）（u2 在表2 中的數(shù)值為140V 或180V，與管子本身的特性有關(guān)），管內(nèi)電流開始升高。隨著放電電流的進(jìn)一步增大，放電管便進(jìn)入弧光放電狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，管子兩端電壓（弧光電壓）跌得很低（圖4的u3）（u3 在表2 中數(shù)值為15V 或20V，與管子本身的特性有關(guān)），且弧光電壓在相當(dāng)寬的電流變動范圍（從圖4 的i1→i2 過程中）內(nèi)保持穩(wěn)定。因此，外界的高電壓浪涌干擾，由于氣體放電管的放電作用，被化解成了低電壓和大電流的受保護(hù)情況（u3 和i2），且這個電流（從圖4 的i2→i3）經(jīng)由氣體放電管本身流回到干擾源里，免除了干擾對燈具可能帶來的危害。隨著浪涌過電壓的消退，流過氣體放電管的電流降到維持弧光放電狀態(tài)所需的最小值以下（約為10mA~100mA，與管子本身的特性關(guān)）,弧光放電便停止，并再次通過輝光放電狀態(tài)后，結(jié)束整個放電狀態(tài)（熄?。?。

　　二、具有防浪涌干擾功能的 LED 路燈普遍存在的絕緣耐壓問題

　　1、燈具耐壓問題存在的現(xiàn)狀

　　在采用上述氣體放電管和壓敏電阻組合構(gòu)成的抑制電路防浪涌干擾的LED路燈普遍存在的絕緣耐壓問題是在燈具的帶電部件與金屬部件之間不能承受2U+1000（V）的基本絕緣的電壓，常見在600V 左右發(fā)生擊穿現(xiàn)象。造成絕緣耐壓問題的根源是氣體放電管的耐壓參數(shù)選擇不合理所致。與其說是LED 路燈存在的絕緣耐壓問題，倒不如說是LED 控制裝置存在的絕緣耐壓問題。因?yàn)榉览擞扛蓴_電路通常位于LED 控制裝置中。帶有防浪涌干擾功能的LED 控制裝置應(yīng)符合GB 19510.14-2009《燈的控制裝置第 14 部分：LED 模塊用直流或交流電子控制裝置的特殊要求》和GB19510.1-2000《燈的控制裝置第 1 部分：一般要求和安全要求》。2、耐壓問題存在的疑問及其解答

　　制造商往往會對絕緣耐壓的試驗(yàn)方法產(chǎn)生疑問，認(rèn)為氣體放電管和壓敏電阻的串聯(lián)電路在絕緣耐壓試驗(yàn)時應(yīng)該斷開。

　　疑問主要來自于以下兩個理由：疑問理由 1：GB 7000.1-2007《燈具－第1 部分:一般要求與試驗(yàn)》的“10.2絕緣電阻和電氣強(qiáng)度”中規(guī)定：“進(jìn)行這些試驗(yàn)時，下述部件應(yīng)斷開，使試驗(yàn)電壓加到部件的絕緣上，而不是加到這些部件的電容或電感功能元件上：a) 旁路連接的電容器；b) 帶電部件和燈具殼體之間的電容器；c) 連接在帶電部件之間的扼流圈和變壓器。”圖2 中的L-R2-G-PE 或N-R3-G-PE 是否應(yīng)該斷開？

　　對于上述 GB7000.1-2007 中10.2 試驗(yàn)時要斷開的部件是指燈具點(diǎn)燈電路中附加的電容或組件，而不包括LED 控制裝置（部件）中的元器件。LED 控制裝置的電氣強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)GB 19510.14-2009 和GB19510.1-2000 標(biāo)準(zhǔn)的要求。燈具在進(jìn)行電氣強(qiáng)度試驗(yàn)時，控制裝置中的電容或組件不應(yīng)斷開。

　　GB 7000.1-2007 中10.2 的a)和b)電容器在燈具耐壓試驗(yàn)時斷開，不是沒有耐壓要求，實(shí)際在燈具結(jié)構(gòu)中就有明確要求，如GB 7000.1-2007 中4.10.1 雙重絕緣和加強(qiáng)絕緣中規(guī)定：“抑制干擾電容器應(yīng)符合GB/T 14472 的規(guī)定，并且其連接方式應(yīng)符合IEC 60065:2001 中8.6 的要求?！?GB/T 14472-1998《電子設(shè)備用固定電容器第 14 部分:分規(guī)范抑制電源電磁干擾用固定電容器》表1B 規(guī)定：Y1 電容應(yīng)用于跨接在雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣之間、額定電壓≤250V、峰值脈沖電壓8.0kV；，Y2 電容應(yīng)用于跨接在基本絕緣或補(bǔ)充絕緣之間、額定電壓：150V≤U≤250V、峰值脈沖電壓5.0kV；Y3 電容應(yīng)用于跨接在基本絕緣或補(bǔ)充絕緣之間、額定電壓：150V≤U≤250V；Y4 電容應(yīng)用于跨接在基本絕緣或補(bǔ)充絕緣之間、額定電壓150V、峰值脈沖電壓2.5kV。根據(jù)跨接絕緣的類型等確定相應(yīng)分類等級的電容，實(shí)際在燈具結(jié)構(gòu)中就提出了相應(yīng)絕緣對應(yīng)的電容耐壓等級的要求。

　　圖 2 中的電源一帶電部件-R2-G-接地回路或電源另一帶電部件-R3-G-接地回路顯然不是在絕緣耐壓或電氣強(qiáng)度試驗(yàn)時應(yīng)該斷開的對象。

　　疑問理由 2：IEC 60950-1:2005《信息技術(shù)設(shè)備的安全第 1 部分：一般要求》“5.2 抗電強(qiáng)度”中的“5.2.2 試驗(yàn)程序”中注4 規(guī)定：“與被試絕緣并聯(lián)提供直流通路的元件（例如濾波電容器的放電電阻、限壓裝置或浪涌吸收器）應(yīng)斷開?！眻D2 中的L-R2-G-PE 或N-R3-G-PE 是否應(yīng)該斷開？

　　上述元件的斷開限壓裝置或浪涌吸收器僅指壓敏電阻（VDR）（例如圖2 中的R1），未涉及氣體放電管和壓敏電阻的串聯(lián)電路（圖2 中的電源一帶電部件-R2-G-接地回路或電源另一帶電部件-R3-G-接地回路）。理由是IEC 60950-1:2005 中“1.5.9 浪涌吸收器” 中“1.5.9.1 一般要求”規(guī)定：“二次電路允許使用任何形式的浪涌吸收器，包括壓敏電阻（VDR）。用于一次線路的浪涌吸收器應(yīng)是一個VDR（壓敏電阻）且VDR 符合該標(biāo)準(zhǔn)附錄Q。VDR 有時指Varistor(壓敏電阻)或金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。例如氣體放電管、碳塊和非線性的電壓/電流特性的半導(dǎo)體裝置等的裝置，在本標(biāo)準(zhǔn)中均不被視作VDR?！?/P>

　　對于什么絕緣下可以使用VDR ，什么絕緣下不可以使用VDR ，IEC60950-1:2005 的1.5.9.3、1.5.9.4 和1.5.9.5 規(guī)定如下：

　?。?）允許用一個VDR跨接功能絕緣。
　?。?）允許用一個VDR，其一側(cè)接地，跨接基本絕緣。

　　VDR跨接基本絕緣這種設(shè)備應(yīng)是下列一種：
　　- B型可插式設(shè)備；或
　　- 永久性連接式設(shè)備；或
　　- 具有永久連接保護(hù)接地導(dǎo)體裝置的設(shè)備且提供該導(dǎo)體的安裝說明書。

　　（3）不允許用一個VDR跨接附加絕緣、雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣。為防止最大連續(xù)電壓以上的暫態(tài)電壓、由于在VDR 內(nèi)的泄漏電流的熱過載以及萬一短路故障時VDR 的燃燒和爆炸，IEC 60950-1:2005 的1.5.9.2 規(guī)定應(yīng)與VDR 串聯(lián)連接一個具有足夠熔斷能力的斷路裝置。浪涌吸收器作為設(shè)備的差模保護(hù)情況，還是作為共模保護(hù)情況，對安全來說情況是不一樣的。差模保護(hù)是指在電源的一極與另一極之間提供的抗干擾保護(hù)，保護(hù)對象是設(shè)備，不涉及人身安全保護(hù)。共模保護(hù)是指在電源的任一極與電源的接地之間提供的抗干擾保護(hù)，除了保護(hù)設(shè)備以外，更重要的涉及人接觸設(shè)備時的安全。從這個意義上來說，首先應(yīng)保證安全，然后再考慮滿足EMS的要求。

　　3、LED 控制裝置標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于耐壓的試驗(yàn)方法

　　作為 LED 控制裝置，應(yīng)符合GB 19510.14-2009《燈的控制裝置第 14 部分：LED 模塊用直流或交流電子控制裝置的特殊要求》標(biāo)準(zhǔn)的要求，而無論是GB19510.14-2009 還是其引用標(biāo)準(zhǔn)GB19510.1-2000《燈的控制裝置第 1 部分：一般要求和安全要求》的“介電強(qiáng)度”中沒有斷開部件的規(guī)定。

　　4、OSM/EE 有關(guān)絕緣耐壓的決議

　　EN 60950《信息技術(shù)設(shè)備的安全》和EN 60950-1《信息技術(shù)設(shè)備的安全第1 部分：一般要求》中1.5.1 有關(guān)的No.98/2 的OSM/EE（歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會電工設(shè)備操作員工會議）就電源上壓敏電阻的使用決議指出：“在電源與保護(hù)地之間的與避雷器或氣體放電管串聯(lián)的壓敏電阻（壓敏電阻不必單獨(dú)認(rèn)證）的組合應(yīng)符合基本絕緣（如電氣強(qiáng)度和對避雷器或氣體放電管的外部爬電距離）且有防止短路的保護(hù)裝置。1. A 型可插式設(shè)備：所有國家接受。2. B 型可插式設(shè)備和永久性連接式設(shè)備：所有國家接受?！鄙鲜?OSM/EE 就電源上壓敏電阻的使用決議清楚地證明了LED 路燈在帶電部件與金屬部件之間進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時，圖2 中的圖2 中的L-R2-G-PE 或N-R3-G-PE不應(yīng)該斷開。

　　5、絕緣耐壓問題的解決方案

為了使 LED 路燈能夠滿足安全要求，氣體放電管的耐壓選擇至關(guān)重要，應(yīng)該選取足夠耐壓的氣體放電管與壓敏電阻配套，壓敏電阻和氣體放電管串聯(lián)電路（如圖1）應(yīng)能夠承受基本絕緣的耐壓。幾種氣體放電管的直流火花放電電壓和交流擊穿電壓的關(guān)系見表3，氣體放電管的直流火花放電電壓一般應(yīng)選不低于2500V。

　　三、結(jié)束語

　　1、LED 路燈的EMS 設(shè)計應(yīng)建立在滿足安全要求的基礎(chǔ)上，不應(yīng)以犧牲安全作為代價，換取滿足EMS 的要求。安全要求不是達(dá)不到，恐怕是不知道。

　　2、LED 路燈設(shè)計輸入必須充分。

　?。?）LED 路燈的安全必須符合GB 7000.5-2005《道路與街路照明燈具安全要求》和GB 7000.1-2007《燈具第 1 部分: 一般要求與試驗(yàn)》；

　?。?）LED 路燈的性能可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24827-2009 《道路與街路照明燈具性能要求》和GB/T 9468-2008《燈具分布光度測量的一般要求》；

　?。?）LED 路燈的EMI 需要符合GB 17743-2007《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》、GB 17625.1-2003《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》和 GB 17625.2-2007《電磁兼容限值對每相額定電流≤16A 且無條件接入的設(shè)備在公用低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓變化、電壓波動和閃爍的限制》；

　?。?）LED 路燈的EMS 需要符合GB/T 18595-2001《一般照明用設(shè)備電磁兼容抗擾度要求》。

本文地址:http://www.elecfans.com/article/83/116/2010/20100419216305.html

　　參考文獻(xiàn)

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Sectional specification: Fixed capacitors for electromagnetic　interference suppression and connection to the supply mains

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